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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronikbaugruppe eines Feldgeräts der Analysemesstechnik. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Feldgerät umfassend eine solche Elektronikbaugruppe.
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In der industriellen Prozess-Messtechnik werden, insb. auch im Zusammenhang mit der Automation chemischer oder verfahrenstechnischer Prozesse und/oder der automatisierten Steuerung von industriellen Anlagen, prozessnah installierte elektrische Mess- und/oder Schaltgeräte, so genannte Feldgeräte, wie z. B. Coriolis-Massendurchfluss-Messgeräte, Dichte-Messgeräte, magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, Wirbel-Durchflussmessgeräte, Ultraschall-Durchflussmessgeräte, thermische Massendurchfluss-Messgeräte, Druck-Messgeräte, Füllstand-Messgeräte, Temperatur-Messgeräte, pH-Wert-Messgeräte, Leitfähigkeit-Messgeräte, Trübung-Messgeräte etc., eingesetzt, die der Erzeugung von Prozessgrößen - analog oder digital - repräsentierenden Messwerten sowie dieser letztlich tragender Messwertsignale dienen. Bei den jeweils zu erfassenden Prozessgrößen kann es sich je nach Anwendung beispielsweise, um einen pH-Wert, eine Leitfähigkeit, eine Trübung, einen Massendurchfluss, eine Dichte, eine Viskosität, einen Füll- oder einen Grenzstand, einen Druck oder eine Temperatur oder dergleichen, eines flüssigen, pulver-, dampf- oder gasförmigen Mediums handeln, das in einem entsprechenden Behälter, wie z. B. einer Rohrleitung oder einem Tank, geführt bzw. vorgehalten wird. Ebenso zählen zu den Feldgeräten entsprechende Transmitter sowie Anschlusskabeln mit eingebauten Leiterplatten und insbesondere mit darauf platzierten elektronischen Bauteilen wie etwa Mikrocontrollern.
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Elektronikbaugruppen in industriellen Geräten müssen aus den unterschiedlichsten Gründen in einem Gehäuse mit einer Vergussmasse geschützt werden. Die Gründe dafür sind vielfältig (mechanischer Schutz, Vibration, Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten, Wärmeabfuhr, Explosionsschutz, ...). Vergussmassen mit hohem Elastizitätsmodul, wie zum Beispiel Epoxidharze, bieten dabei einen besonders hohen Schutz. Eines der Probleme dabei sind thermisch bedingte mechanische Belastungen auf die elektronischen Bauteile, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien (Leiterkarte, Vergussmaterial, Gehäuse, weitere Einbauten - z.B. Schirmungslösungen usw.) bei Temperaturänderung zwangsläufig entstehen. Besonders kritisch wirken sich diese bei zylinderförmigen Gehäusen aus, da hier radial unterschiedliche Abstände von Elektronik zur Gehäusewand sowie die sich verändernde Materialdicken des Vergusswerkstoffs vorliegen. Die Größe der Belastung ist abhängig von den Materialeigenschaften der beteiligten Bauteile sowie der Höhe der Temperaturänderung und führt je nachdem von Beeinträchtigung der Funktion der Elektronik bis hin zu deren Totalausfall durch Zerstörung der elektronischen Bauelemente.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, thermisch bedingte mechanische Belastungen auf elektronische Bauteile in Feldgeräten zu minimieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem Gegenstand der Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe eines Feldgeräts der Analysemesstechnik, umfassend eine Leiterplatte mit zumindest einem darauf angeordneten elektronischen Bauteil, ein Gehäuse, welches zumindest teilweise mit Einbettmasse gefüllt ist, wobei die Leiterplatte zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, so dass das elektronische Bauteil zumindest teilweise von der Einbettmasse umhüllt ist, wobei zumindest ein, insbesondere nichtkompressibler, Körper im Gehäuse zwischen der Leiterplatte und einer Gehäusewandung angeordnet ist, wobei die Einbettmasse am Körper haftet, wobei der Elastizitätsmodul des Körpers größer ist als der Elastizitätsmodul der Einbettmasse, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einbettmasse.
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In einer Ausgestaltung umfasst eine Komponente eines Feldgeräts der Analysemesstechnik ein Gehäuse, welches zumindest teilweise mit Einbettmasse gefüllt ist, mindestens ein elektrisches und/oder elektronisches Bauteil, welches zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, so dass das elektrische und/oder elektronische Bauteil zumindest teilweise von der Einbettmasse umhüllt ist, wobei mindestens ein zusätzliches Bauteil zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und dass das mindestens eine zusätzliche Bauteil dermaßen ausgestaltet und angeordnet ist, dass eine mechanische Belastung des mindestens einen elektrischen und/oder elektronischen Bauteils reduziert ist.
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Es wird ein zusätzliches Bauteil, der Körper, so abgestimmt und in die Einbettmasse platziert, dass das elektrische und/oder elektronische Bauteil weitgehend von Spannungen entkoppelt wird. Die Eigenschaften des zusätzlichen Bauteils werden dabei auf die räumlichen und Werkstoff-Gegebenheiten abgestimmt. Auf diese Weise werden bei Temperaturwechsel entstehende Belastungen auf das Bauteil, gegenüber Feldgeräten aus dem Stand der Technik ohne zusätzliches Bauteil, weitgehend reduziert.
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Eine Leiterplatte, z.B. aus FR4, hat dabei beispielsweise ein Elastizitätsmodul von circa 25 GPa und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von circa 15 ppm/K. Die Einbettmasse, z.B. aus Epoxidharz, hat beispielsweise ein Elastizitätsmodul von circa 3,5 GPa und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von circa 60 ppm/K.
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Durch die Abstimmung des Körpers auf die vorhandenen geometrischen Verhältnisse und die Materialeigenschaften ist eine weitgehende Entkopplung der von den umgebenden Bauteilen (Verguss, Gehäuse) resultierenden mechanischen Belastungen möglich.
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Zu nennen sind hier zumindest drei mögliche Einflussgrößen.
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Zum einen ist dies die räumliche Lage des Körpers relativ zur Leiterplatte. Je näher der Körper an der Leiterplatte positioniert wird, desto größer ist sein Einfluss auf die elektronischen Bauteile und desto kleiner wird der Einfluss der Einbettmasse auf diese.
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Zum anderen sind dies die Materialeigenschaften, also Elastizitätsmodul und Wärmeausdehnungskoeffizient, des Körpers im Vergleich zur Einbettmasse und der Leiterplatte. Je kleiner der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers im Vergleich zu dem der Einbettmasse ist, desto größer ist die kompensierende Wirkung auf die Einbettmasse (d.h. wirkt der Ausdehnung der Einbettmasse entgegen) und damit die Entlastung der elektronischen Bauteile. Je größer der Elastizitätsmodul im Vergleich zu jenem der Einbettmasse ist, desto größer ist der Widerstand des Körpers gegen eine Verformung durch Kräfte und Momente der Einbettmasse, was schließlich auch zur Entlastung der elektronischen Bauteile führt.
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Weiter ist die Geometrie des Bauteils zu nennen. Je genauer der Körper an die Topologie der elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte angepasst ist, desto gleichmäßiger wird die Belastung auf die Bauteile verteilt. Je größer das Volumen des Körpers im Gegensatz zu dem der Einbettmasse ist, desto dominanter werden die Eigenschaften des Körpers im Verhältnis zu denen der Einbettmasse im Gesamtsystem. Je näher der Körper an die Geometrie des Gehäuses angepasst ist, desto gleichmäßiger ist die von außen auf den Körper wirkende Belastung.
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Erfindungsgemäß werden eine oder mehrere Eigenschaften des Körpers so ausgewählt und kombiniert, dass eine ausreichend große Entlastung der Bauteile erzielt werden kann und gleichzeitig Material- und Herstellkosten minimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Körper als elektrische Schirmung und/oder magnetische Schirmung und/oder thermische Schirmung des elektrischen und/oder elektronischen Bauteils ausgestaltet.
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Eine elektrische bzw. elektrostatische Schirmung kann z.B. dadurch realisiert werden, dass der Körper aus einem elektrisch leitenden Material besteht welches die elektronische Schaltung abschirmt. Eine magnetische Schirmung kann z.B. dadurch realisiert werden, dass der Körper aus einem magnetisch weichen Material besteht (Material mit einer hohen Permeabilitätszahl, z.B. Ferromagnete) welches die elektronische Schaltung abschirmt. Die thermische Schirmung geschieht mittels eines Temperatur-Managements, bei der zum einen das zusätzliche Bauteil aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht (z.B. Glas; Schaumglas) welches die elektronische Schaltung abschirmt. Zum anderen als Temperaturregulierung durch Konduktion (Wärmeleitung), bei der das zusätzliche Bauteil aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht (z.B. Metall; Kupfer) welches die elektronische Schaltung abschirmt und das Bauteil eine thermische Verbindung zur Umgebung aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante umfasst der Körper dasselbe Material bzw. dieselben Materialien, wie die Leiterplatte.
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In einer Ausgestaltung sind der Körper und die Leiterplatte so ausgestaltet, dass deren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleich sind.
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In einer Ausgestaltung sind Wärmeausdehnungskoeffizienten des Körpers und der Leiterplatte unterschiedlich, insbesondere ist der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Körpers kleiner als der Leiterplatte, und der Körper ist bezüglich des auf der Leiterplatte angeordnetem elektronischen Bauteils so positioniert ist, dass sich die Verschiebung der Einbettmasse in Abhängigkeit seines Abstandes relativ zu der Leiterplatte minimiert wird.
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Da der Körper und die Leiterplatte eine geringere (Volumen-)Änderung haben als die Einbettmasse, nimmt die relative Verschiebung der Einbettmasse zur Leiterplatte mit zunehmendem Abstand zur Leiterplatte immer weiter zu. Das heißt, dass höhere Bauteile in doppelter Weise gefährdet sind: zum einen ist bei gleicher Kraft das Moment auf die Lötstelle größer (da der Ortsvektor/Hebelarm größer ist). Zum anderen wird die Belastung auf die Oberkante des elektronischen Bauteils größer, da die Verschiebung der Einbettmasse zunimmt je weiter diese von der Leiterplatte entfernt ist). Mit Einbringung des Körpers dagegen ändert sich diese Konstellation. Die relative Verschiebung nimmt mit steigendem Abstand von der Leiterplatte zuerst zu und nach Überschreiten eines Maximums mit abnehmenden Abstand zum Körper wieder ab.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Körper an einer der Leiterplatte zugewandten Fläche an die durch das elektronische Bauteil entstehende Topologie der Leiterplatte angepasst.
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In einer Ausgestaltung ist der Körper an einer dem Gehäuse zugewandten Fläche an eine Innenkontur des Gehäuses angepasst.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist das Gehäuse hohlzylinderförmig ausgestaltet, und der Körper weist eine Außenfläche auf, die konkav ausgestaltet ist.
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In einer Ausgestaltung ist der Körper so im Gehäuse angeordnet, dass der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Körper kleiner ist als zwischen dem Körper und einer Gehäusewandung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Feldgerät, umfassend eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe, gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine Seitenansicht einer Elektronikbaugruppe eines Feldgeräts der Analysemesstechnik nach dem Stand der Technik.
- 2a, b zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer Elektronikbaugruppe entsprechend 1.
- 3a, b zeigen einen Längsschnitt und ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe.
- 4a, b zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe in einer Ausgestaltung.
- 5a, b zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer Elektronikbaugruppe entsprechend 1 mit Darstellung der Volumenäderung.
- 6a, b zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe in einer Ausgestaltung.
- 7a, b zeigen einen Längsschnitt und einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe in einer Ausgestaltung.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Elektronikbaugruppe eines Feldgeräts der Analysemesstechnik nach dem Stand der Technik. Die Komponente umfasst ein hohlzylinderförmiges Gehäuse 2, welches mit Einbettmasse 3 gefüllt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Leiterplatte 6 angeordnet, welche zumindest abschnittsweise von der Einbettmasse 3 umhüllt ist. Auf der Leiterplatte 6 sind ein oder mehrere elektrische oder elektronische Bauteile 4 angeordnet, welche(s) ebenfalls von der Einbettmasse 3 umhüllt sind.
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2a zeigt einen Längsschnitt und 2b einen Querschnitt einer Elektronikbaugruppe entsprechend 1. Die Volumenveränderungen mit ihren daraus resultierenden mechanischen Belastungen 7 der Komponente sind als Pfeile dargestellt, wobei die Belastungen 7 in der Einbettmasse 3 erzeugt und von der Einbettmasse 3 auf das Gehäuse 2 und auf das Bauteil 4 übertragen werden.
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3a zeigt einen Längsschnitt und 3b einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe 1. Die Komponente1 weist einen Körper 5 auf, welcher innerhalb des Gehäuses 2 von der Einbettmasse 3 umhüllt ist. Der Körper 5 besteht aus demselben Material wie die Leiterplatte 6 und weist dieselben mechanischen und thermischen Eigenschaften auf wie die Leiterplatte 6. Der Körper 5 ist zwischen der Leiterplatte 6 und dem Gehäuse 2 der Elektronikbaugruppe 1 angeordnet. Der Elastizitätsmodul des Körpers 5 ist größer als das der Einbettmasse 3. Der Körper 5 ist also steif, insbesondere im Vergleich zur Einbettmasse 3. Der Körper 5 ist nicht kompressibel oder flexibel. Der Körper 5 wird also nicht von der sich bei Temperaturänderungen ausdehnenden Einbettmasse 3 eingedrückt. Der Körper 5 ist durch den größeren Elastizitätsmodul steif genug um Belastungen, die durch die Einbettmasse 3 entstehen, aufnehmen zu können.
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Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers 5 ist kleiner als der der Einbettmasse 3. Der Körper 5 verändert sich somit unter Temperaturänderungen weniger als die Einbettmasse 3. Die Einbettmasse 3 haftet sowohl an der Leiterplatte 6 als auch am Körper 5. In anderen Worten bewegt sich der Körper 5 (und auch die Leiterplatte 6) nicht mit der Einbettmasse 3 mit. Durch die Haftung der Einbettmasse am Körper 5 wird durch dessen geringere Ausdehnung der Ausdehnung der Einbettmasse entgegengewirkt.
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Der Körper 5 verhindert nicht grundsätzlich, dass Einbettmasse 3 an die Leiterplatte 6 bzw. die Bauteile 4 gelangt. Allerdings wird durch den Körper das Volumen an Einbettmasse 3 zwischen Leiterplatte 6 und Gehäuse 2 in zwei Bereiche eingeteilt, wobei vor allem der Bereich auf Leiterplattenseite günstiger weise kleiner ist als das Gesamtvolumen der Einbettmasse. Durch den größeren Elastizitätsmodul, den kleineren Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers 5, die Haftung der Einbettmasse 3 am Körper 5 und der Leiterplatte 6 sowie dem geringeren Volumen und der Platzierung des Körpers relativ zur Leiterplatte 6 werden die Normal- und Querkräfte in der Einbettmasse 3 minimiert, im Besten Fall sind diese Null. Weiter werden Momente verringert, die entstehen durch den Hebelarm bzw. den Abstand des Kraftangriffs - hier der Oberkante des elektronischen Bauteils 4 - zur Einspannung - hier der Lötfläche.
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In einer Ausgestaltung haben der Körper 5 und die Leiterplatte 6 einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei der Körper 5 einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als die Einbettmasse 3.
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5a/b zeigen die relative Volumenänderung der Materialien bei Temperaturerhöhung ohne den Körper 5. Dies entspricht der 1 bzw. 2a/b. Dabei ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einbettmasse 3 größer als der Leiterplatte 6 und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses 2 größer als von der Leiterplatte 6. Dabei ist der Elastizitätsmodul der Einbettmasse 3 kleiner als der Leiterplatte 6. Ohne einen erfindungsgemäßen Körper 5 ergeben sich große resultierende Belastungen auf die elektronischen Bauteile 4 (dargestellt zur Ziffer 11) durch Volumenänderung des Gehäuses 2 (dargestellt durch Ziffer 9) und vor allem der Einbettmasse 3 (dargestellt durch Ziffer 10).
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6a/b zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung. Gezeigt ist die relative Volumenänderung der Materialien bei Temperaturerhöhung mit dem Körper 5. Dabei ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einbettmasse 3 größer als der der Leiterplatte 6. Weiter ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses 2 größer als der der Leiterplatte 6. Weiter ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einbettmasse 3 größer als der des Gehäuses. Weiter ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers 5 gleich dem der Leiterplatte 6. Dabei ist der Elastizitätsmodul der Einbettmasse 3 kleiner als der Leiterplatte 6. Weiter ist dabei der Elastizitätsmodul der Einbettmasse 3 kleiner als der des Körpers 5. Verglichen mit 5a/b ergeben sich im Bereich der Leiterplatte 6 nur geringe Auswirkungen der Volumenänderung der Einbettmasse 3. Die resultierende Belastung auf die elektronischen Bauteile 4 durch Volumenänderung sind gering.
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7a/b zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung. Im Gegensatz zu den 3a und 3b ist der Abstand zwischen Leiterplatte 6 und Körper 5 etwas vergrößert. Gezeigt ist die relative Volumenänderung der Materialien bei Temperaturerhöhung mit dem Körper 5. Dabei ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers 5 kleiner dem der Leiterplatte 6 und kleiner dem des Gehäuses 2. Dabei ist der Elastizitätsmodul der Einbettmasse 3 kleiner als der der Leiterplatte 6. Weiter ist dabei der Elastizitätsmodul der Einbettmasse 3 kleiner als der des Körpers 5. Verglichen mit 5a/b ergeben sich im Bereich der Leiterplatte 6 nur geringe Auswirkungen der Volumenänderung der Einbettmasse 3. Die resultierende Belastung auf die elektronischen Bauteile 4 durch Volumenänderung sind auch hier gering. Dargestellt durch das Bezugszeichen 10 ist die Volumenänderung der Einbettmasse 3. Da die Einbettmasse 3 an der Leiterplatte 6 und am Körper 5 haftet ergibt sich in etwa das dargestellte Profil. Die Position des Körpers 5 zwischen Gehäuse 2 und Leiterplatte 6 wird so gewählt, dass die Kräfte und Momente (im Allgemeinen die Belastungen) auf die elektronischen Bauteile 4 minimiert werden.
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Durch das Bezugszeichen 12 dargestellt ist die Differenz in der Volumenänderung zwischen Körper 5 und Leiterplatte 6, die der Volumenänderung der Einbettmasse 3 entgegenwirkt.
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Der Körper 5 ist an seiner der Leiterkarte 6 zugewandte Flächen an dessen Außenkontur angepasst. In anderen Worten ist der Körper 5 an einer der Leiterplatte 6 zugewandten Fläche an die durch die durch das/die elektronische/n Bauteil/e 4 entstehende Topologie der Leiterplatte 6 angepasst. Ferner ist der Körper 5 an einer dem Gehäuse 2 zugewandten Fläche an diese angepasst, also etwa konkav ausgestaltet. Siehe dazu die 3b und 4b.
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Dass das zusätzliche Bauteil, also der Körper 5, die mechanische Belastung 7 auf das Bauteil 4 reduziert, ist dadurch erkennbar, dass zwischen dem zusätzlichen Bauteil 5 und der Leiterkarte 6 die Pfeile mit dem Bezugszeichen 7 kleiner dargestellt sind als im Stand der Technik in den 2a/b.
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4a zeigt einen Längsschnitt und 4b einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe 1, wobei der Körper 5 als Schirmung 8 fungiert. Dabei ist der Körper 5 dermaßen dimensioniert und positioniert, dass er als elektrische Schirmung und/oder magnetische Schirmung und/oder thermische Schirmung 8 des elektrischen und/oder elektronischen Bauteils 4 fungiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronikbaugruppe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Einbettmasse
- 4
- elektronisches Bauteil
- 5
- Körper
- 6
- Leiterplatte
- 7
- mechanische Belastung
- 8
- Schirmung
- 9
- Volumenänderung von 2
- 10
- Volumenänderung von 3
- 11
- Resultierende Belastung durch Volumenänderung auf 4
- 12
- Differenz Volumenänderung von 5 und 6
